2024-2025学年新教材高中物理第三章热力学定律4热力学第二定律学案新人教版选择性必修3

PAGE9-热力学其次定律必备学问·素养奠基一、热力学其次定律的克劳修斯表述1.热传导的方向性:一切与热现象有关的宏观自然过程都是不行逆的。2.热力学其次定律的克劳修斯表述:德国物理学家克劳修斯在1850年提出:热量不能自发地从低温物体传到高温物体。热力学其次定律的克劳修斯表述,阐述的是传热的方向性。二、热力学其次定律的开尔文表述1.热机:(1)热机工作的两个阶段:第一个阶段是燃烧燃料,把燃料中的化学能变成工作物质的内能。其次个阶段是工作物质对外做功,把自己的内能变成机械能。(2)热机用于做功的热量肯定小于它从高温热库汲取的热量。2.开尔文表述:不行能从单一热库汲取热量,使之完全变胜利,而不产生其他影响。(该表述阐述了机械能与内能转化的方向性)关键实力·素养形成一热力学其次定律的应用1.单一热库:指温度匀称并且恒定不变的系统。若一系统各部分温度不相同或者温度不稳定,则构成机器的工作物质可以在不同温度的两部分之间工作,从而可以对外做功。据报道,有些国家已在探讨利用海水上下温度不同来发电。2.其他影响:(1)除了从单一热库汲取的热量以及所做的功以外的其他一切影响。(2)除了从低温物体汲取热量、高温物体得到热量外,其他一切影响和改变。3.关于“不行能”:事实上热机或制冷机系统循环终了时,除了从单一热库汲取热量对外做功,以及热量从低温热库传到高温热库以外,过程所产生的其他一切影响,不论用任何曲折困难的方法都不行能加以消退。4.适用条件:只能适用于由很大数目分子所构成的系统及有限范围内的宏观过程,而不适用于少量的微观体系,也不能把它扩展到无限的宇宙。【思索·探讨】如图是热量在传递过程中的情景。探讨:(1)在自然过程中热量是如何传递的?提示:热量由温度高的物体传递给温度低的物体,或由温度高的地方传递到温度低的地方。(2)空调和冰箱是如何传递热量的?提示:空调和冰箱可以通过电机做功,把热量从温度比较低的房间内或冰箱内传递到房间外或冰箱外。【典例示范】(多选)下列关于宏观物体的热现象的说法中正确的是()A.一切涉及热现象的宏观过程都具有方向性B.一切不违反能量守恒定律的物理过程都是可能实现的C.由热力学其次定律可以推断物理过程能否自发进行D.一切物理过程都不行能自发地进行E.功转变为热的实际宏观过程是不行逆的【解析】选A、C、E。热力学其次定律是反映宏观自然过程的方向性的定律,热量不能自发地从低温物体传到高温物体,但可以自发地从高温物体传到低温物体;并不是全部符合能量守恒定律的宏观过程都能实现,故A、C正确,B、D错误;一切与热现象有关的宏观过程都是不行逆的,故E正确。【误区警示】对热力学其次定律理解的两个误区(1)误认为热量只能由高温物体传到低温物体,不能由低温物体传到高温物体。热量可以由高温物体传到低温物体,也可以由低温物体传到高温物体;但是,前者可以自发完成,而后者则必需有外界参加。(2)误认为机械能可以完全转化为内能,而内能不能完全转化为机械能。机械能可以完全转化为内能,内能也可以完全转化为机械能;但是,前者可以不产生其他影响,而后者肯定会产生其他影响。【素养训练】(多选)用两种不同材料的金属丝组成一个回路,接触点1插在热水中,接触点2插在冷水中,如图所示,电流计指针会发生偏转,这就是温差发电现象。关于这一现象的正确说法是()A.这一试验不违反热力学其次定律B.在试验过程中,热水温度降低,冷水温度上升C.在试验过程中,热水的内能全部转化成电能,电能则部分转化成冷水的内能D.在试验过程中,热水的内能只有部分转化成电能,电能则全部转化成冷水的内能【解析】选A、B。自然界中的任何自然现象或过程都不违反热力学定律,本试验现象也不违反热力学其次定律,A正确;整个过程中能量守恒且传热有方向性,B正确;在试验过程中,热水中的内能除转化为电能外,还上升了金属丝的温度,内能不能全部转化为电能;电能除转化为冷水的内能外,还上升了金属丝的温度,电能不能全部转化为冷水的内能,C、D错误。【补偿训练】(多选)下列现象不行能发生的是()A.在一与外界绝热的房间内,将一台正在工作的电冰箱的门打开,能使该房间降温B.蒸汽机把蒸汽的内能全部转化为机械能C.一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来,物体的动能全部转化为内能D.在热传导中,热量可以自发地从高温物体传向低温物体【解析】选A、B。在一与外界绝热的房间内,将一台正在工作的电冰箱的门打开,消耗了电能,产生了焦耳热,所以房间温度不仅不能降低还会上升,故A不行能发生;蒸汽机把蒸汽的内能不行能全部转化为机械能,转化过程中必定存在能量耗散,故B不行能发生;一个在粗糙的水平地面上运动的物体最终要停下来,物体的动能全部转化为内能,C可能发生;在热传导中,热量可以自发地从高温物体传向低温物体,D可能发生。二热机和其次类永动机1.热机的特点:(1)热机不仅仅只有一个热库。(2)热机的效率不行能达到100%。2.其次类永动机不能制成的缘由:违反了热力学其次定律(不违反能量守恒定律)。3.其次类永动机不能制成的意义:(1)机械能可全部转化成内能,但内能不能全部转化成机械能。(2)机械能和内能的转化过程具有方向性。(3)两类永动机的比较。第一类永动机:不消耗任何能量,可以不断做功(或只赐予很小的能量启动后,可以恒久运动下去)。其次类永动机:将内能全部转化为机械能,而不引起其他改变(或只有一个热源,实现内能与机械能的转化)。【思索·探讨】如图所示是制冷机和热机的工作过程示意图,请在图片基础上思索以下问题:探讨:(1)制冷机工作时热量是自发地从低温热库传到高温热库吗?(2)热机工作时是否将从高温热库汲取的热量全部用来做功?提示:(1)不是。热量从低温热库传到高温热库时须要有外界做功。(2)否。热机工作时只将从高温热库汲取热量的一部分用来做功,剩余的释放到低温热库。【典例示范】在热学中,下列说法正确的是 ()A.第一类永动机不行制成是由于它违反了能量守恒定律B.其次类永动机不行制成是由于它违反了能量守恒定律C.热力学其次定律告知我们机械能可以转化为内能而内能不能转化为机械能D.热量只能从高温物体传向低温物体,而不能从低温物体传向高温物体【解析】选A。不消耗能量而不断对外做功的第一类永动机是不行能制成的,因为它违反了能量守恒定律,故A正确;从单一热库汲取热量而对外做功的其次类永动机不违反能量守恒定律,但违反了热力学其次定律,故B错误;热力学其次定律告知我们机械能可以转化为内能,而内能在“肯定的条件下”也能转化为机械能,故C错误;热量能从高温物体传向低温物体,在“肯定的条件下”也能从低温物体传向高温物体。故D错误。【素养训练】1.(多选)关于其次类永动机,下列说法正确的是()A.没有冷凝器,只有单一的热源,能将从单一热源汲取的热量全部用来做功,而不引起其他改变的热机叫作其次类永动机B.其次类永动机违反了能量守恒定律,所以不行能制成C.其次类永动机不行能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不行能全部转化为机械能D.其次类永动机不行能制成,说明机械能可以全部转化为内能,内能却不行能全部转化为机械能,同时不引起其他改变【解析】选A、D。依据其次类永动机的定义可知A正确,其次类永动机不违反能量守恒定律,而是违反热力学其次定律,所以B错误。机械能可以全部转化为内能,内能在引起其他改变时可能全部转化为机械能,C错误,D正确。2.下列有关热学学问的论述正确的是()A.两个温度不同的物体相互接触时,热量既能自发地从高温物体传给低温物体,也可以自发地从低温物体传给高温物体B.无论用什么方式都不行能使能量从低温物体向高温物体传递C.第一类永动机违反能的转化和守恒定律,其次类永动机不违反能的转化和守恒定律,随着科技的进步和发展,其次类永动机可以制造出来D.温度是物体分子热运动平均动能的标记【解析】选D。两个温度不同的物体相互接触时,热量能自发地从高温物体传给低温物体,但不能自发地从低温物体传给高温物体,故A错误;在外界的影响下,能使能量从低温物体向高温物体传递,空调、冰箱就是这个原理,故B错误;第一类永动机违反能的转化和守恒定律,不能制造出来,其次类永动机不违反能的转化和守恒定律,但违反了物理过程的方向性,同样不能制造胜利,故C错误;温度是物体分子热运动激烈程度的反映,是物体分子热运动平均动能的标记,温度越高,分子热运动平均动能越大,故D正确。【补偿训练】1.其次类永动机不行以制成,是因为()A.违反了能量守恒定律B.热量总是从高温物体传递到低温物体C.机械能不能全部转变为内能D.内能不能全部转化为机械能,同时不引起其他改变【解析】选D。其次类永动机设想虽然符合能量守恒定律,但是违反了能量转化中有些过程是不行逆的规律,所以不行能制成。2.(多选)如图所示为电冰箱的工作原理示意图,压缩机工作时,强迫制冷剂在冰箱内外的管道中不断循环。在蒸发器中制冷剂汽化汲取箱体内的热量,经过冷凝器时制冷剂液化,放出热量到箱体外。下列说法正确的是()A.热量可以自发地从冰箱内传到冰箱外B.电冰箱的制冷系统能够不断地把冰箱内的热量传到外界,是因为其消耗了电能C.电冰箱的工作原理不违反热力学第肯定律D.电冰箱的工作原理违反热力学第肯定律【解析】选B、C。依据热力学其次定律,热量不能自发地从低温物体传到高温物体,必需借助于其他系统做功,A错误,B正确;热力学第肯定律是热现象中内能与其他形式能的转化规律,是能量守恒定律的详细表现,适用于全部的热现象,故C正确,D错误。【拓展例题】考查内容:热力学定律的综合应用【典例】一种冷暖两用型空调,铭牌标注:输入功率1kW,制冷实力1.2×104kJ/h,制热实力1.3×104kJ/h。这样,该空调在制热时,每消耗1J电能,将放出3J的热量。标注是否错误?【解析】空调制冷、制热是靠压缩机做功,通过内部的制冷剂将热量从温度低的地方向温度高的地方传递。在制热时,室内温度高,室外温度低,热量不会自发地从室外向室内传递。要实现这一过程就会引起其他的改变,这里的其他改变正是通过压缩机做功消耗电能的过程,题中放出3J的热量是指将3J的内能从室外传递到室内,需消耗1J的电能。整个过程既不违反热力学第肯定律的能量守恒,又符合热力学其次定律的方向性。因此标注没有错误。答案:见解析课堂检测·素养达标1.(多选)关于热机的效率,下列说法正确的是()A.有可能达到80% B.有可能达到100%C.有可能超过80% D.肯定能达到100%【解析】选A、C。依据热力学其次定律,热机效率恒久也达不到100%。2.关于能源和能量,下列说法正确的是()A.自然界的能量是守恒的,所以地球上的能源永不枯竭B.能源的利用过程中有能量耗散,所以自然界的能量在不断削减C.能量耗散遵循能量守恒定律D.人类在不断地开发和利用新能源,所以能量可以被创建【解析】选C。自然界中的能量是守恒的,但地球上的化石能源的存储量是有限的,假如过量开采这些能源,就会存在能源危机,故A错误;能源的利用过程中有能量耗散,但自然界中的能量是守恒的,所以自然界中的能量不会减小,故B错误,C正确;能量既不会凭空产生,也不会凭空消逝,它只能从一种形式转化为其他形式,或者从一个物体转移到别的物体,故D错误。3.如图所示,汽缸内盛有肯定量的志向气体,汽缸壁是导热的,缸外环境保持恒温,活塞与汽缸壁的接触是光滑的,但不漏气。现将活塞杆与外界连接,使其缓慢地向右移动,这样气体将等温膨胀并通过杆对外做功。若已知志向气体的内能只与温度有关,则下列说法正确的是 ()A.气体是从单一热源吸热,全用来对外做功,因此此过程违反热力学其次定律B.气体从单一热源吸热,但并未全用来对外做功,所以此过程不违反热力学其次定律C.气体是从单一热源吸热,全用来对外做功,但此过程不违反热力学其次定律D.A、B、C三种说法都不对【解析】选C。热力学其次定律从机械能与内能转化过程的方向性来描述是不行能从单一热源汲取热量并把它全部用来做功而不引起其他改变。本题中假如没有外界的帮助,比如外力拉动活塞杆使活塞向右移动,使气体膨胀对外做功,导致气体温度略微降低,是不行能从外界汲取热量的,即这一过程虽然是气体从单一热源吸热,全用来对外做功,但引起了其他改变,所以此过程不违反热力学其次定律。4.对于永动机的相识,下列说法正确的是()A.第一类永动机和其次类永动机都违反了能量守恒定律,所以都不行能制成B.第一类永动机违反了能量守恒定律,其次类永动机没有违反能量守恒定律,因此,随着科学技术的迅猛发展,其次类永动机是可以制成的C.第一类永动机违反了热力学第肯定律,其次类永动机违反了热力学其次定律,这两类永动机都不行能制成D.两类永动机的实质和工作原理是相同的,都是人们的美妙设想,是恒久不会实现的。【解析】选C。第一类永动机违反了能量的转化与守恒,不行能实现,其次类永动机不违反能量守恒定律,但违反了热力学其次定律,内能在转化为机械能的过程中要生热,所以要引起其他改变。这两